JP4502329B2 - Compression self-ignition internal combustion engine - Google Patents

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Description

本発明は、圧縮自着火式内燃機関に関するものである。   The present invention relates to a compression self-ignition internal combustion engine.

ディーゼルエンジン等の内燃機関の分野では、近年、環境問題の高まりに伴って年々厳しい排気規制が施行されており、煤やスモーク、CO、NOx等の大気汚染物質の排出を低減し、また、燃費を向上することが強く要請されている。   In recent years, in the field of internal combustion engines such as diesel engines, stricter exhaust regulations have been enforced year by year due to the growing environmental problems, reducing emissions of soot, smoke, CO, NOx and other air pollutants, and fuel consumption There is a strong demand for improvement.

しかしながら、ディーゼルエンジンは、シリンダ内で圧縮された空気に燃料を噴霧し、自着火により燃焼させるため、空気と燃料との混合に濃淡が生じ易く、燃料濃度が濃いところでは煤やスモークを、量論比付近ではNOxを生成し易くなっている。   However, since diesel engines spray fuel on compressed air in a cylinder and burn it by self-ignition, light and dark mixing tends to occur in the mixture of air and fuel, and soot and smoke can be produced where the fuel concentration is high. It is easy to generate NOx near the theoretical ratio.

このような事情に鑑み、下記特許文献1では、NOxの生成を抑制し、かつ、黒鉛及びHCの排出を低減しようとする試みがなされている。具体的には、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のヘッドキャビティを形成し、該ヘッドキャビティの底部に燃料噴射ノズルを設け、ピストンの頂面に凹状のピストンキャビティを設けたものとなっている。ヘッドキャビティは、ドーム状又は円錐状に形成され、燃料噴射ノズルは、ヘッドキャビティの周壁面に向けて燃料を噴射するようになっている。   In view of such circumstances, Patent Document 1 below attempts to suppress the generation of NOx and reduce the discharge of graphite and HC. Specifically, a concave head cavity is formed on the explosion surface of the cylinder head facing the top surface of the piston, a fuel injection nozzle is provided at the bottom of the head cavity, and a concave piston cavity is provided on the top surface of the piston. It has become a thing. The head cavity is formed in a dome shape or a cone shape, and the fuel injection nozzle is configured to inject fuel toward the peripheral wall surface of the head cavity.

特開平10−141062号公報JP 10-141622 A

上記特許文献1のように、燃料噴射ノズルから噴射した燃料をヘッドキャビティの周壁面に衝突させる構成では、該周壁面に対する燃料の付着が問題になる。特に、エンジンの始動時や低負荷運転時は燃焼室内の温度が低いため、周壁面に接触した燃料が蒸発し難く、燃料が周壁面に付着すると、燃焼に寄与することなく白煙として排出される可能性が高くなる。   In the configuration in which the fuel injected from the fuel injection nozzle collides with the peripheral wall surface of the head cavity as in Patent Document 1, adhesion of fuel to the peripheral wall surface becomes a problem. In particular, the temperature in the combustion chamber is low when the engine is started or during low-load operation, so that the fuel that has contacted the peripheral wall is less likely to evaporate. Is more likely.

本発明は、シリンダヘッドに形成したヘッドキャビティの周壁面に燃料を衝突させる形式の圧縮自着火式の内燃機関において、当該周壁面への燃料の付着に起因した白煙発生を抑制することを目的とする。   An object of the present invention is to suppress the generation of white smoke due to the adhesion of fuel to a peripheral wall surface in a compression self-ignition internal combustion engine of a type in which fuel collides with the peripheral wall surface of a head cavity formed in a cylinder head. And

請求項1記載の発明は、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のヘッドキャビティが設けられ、該ヘッドキャビティに、該ヘッドキャビティの周壁面に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルが設けられている圧縮自着火式内燃機関において、前記ヘッドキャビティの周壁面温度を検出する温度検出手段と、検出された周壁面温度に基づいて、燃料の噴射時期と噴射段数とを設定するコントローラと、を備えており、前記コントローラが、温度検出手段により検出された周壁面温度に基づいてヘッドキャビティの周壁面に対する燃料の付着量と該周壁面に接触した燃料の蒸発量とを予測するとともに、予測した付着量と蒸発量との比較に基づいて燃料の噴射時期と噴射段数とを設定する機能を有していることを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel injection nozzle in which a concave head cavity is provided on the explosion surface of the cylinder head facing the top surface of the piston, and fuel is injected into the head cavity toward the peripheral wall surface of the head cavity. In a compression self-ignition internal combustion engine provided with a temperature detecting means for detecting the temperature of the peripheral wall surface of the head cavity, and a controller for setting the fuel injection timing and the number of injection stages based on the detected peripheral wall surface temperature And the controller predicts the amount of fuel adhering to the peripheral wall surface of the head cavity and the evaporation amount of fuel contacting the peripheral wall surface based on the peripheral wall surface temperature detected by the temperature detecting means. Further, the present invention is characterized in that it has a function of setting the fuel injection timing and the number of injection stages based on a comparison between the predicted adhesion amount and evaporation amount .

請求項記載の発明は、請求項記載の発明において、前記コントローラが、噴射段数を2段に分割した場合に1段目の噴射量を全噴射量の30%〜50%の範囲に設定する機能を有していることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, when the controller divides the number of injection stages into two stages, the first stage injection quantity is set within a range of 30% to 50% of the total injection quantity. It has the function to perform.

請求項記載の発明は、請求項記載の発明において、前記コントローラが、噴射段数を2段に分割した場合に1段目の噴射に伴う自着火が圧縮行程上死点付近で行われるように、1段目の噴射開始時期を圧縮行程上死点前40°〜0°の範囲内に設定する機能を有していることを特徴とする。
According to a third aspect of the invention, in the first aspect of the invention, when the controller divides the number of injection stages into two stages, the self-ignition accompanying the first stage injection is performed near the top dead center of the compression stroke. In addition, the first stage injection start timing is set within a range of 40 ° to 0 ° before the top dead center of the compression stroke.

請求項記載の発明は、請求項記載の発明において、シリンダ内の有効圧縮比を変更する有効圧縮比変更手段を備えており、前記付着量が前記蒸発量に対して所定以上の場合に有効圧縮比を上げ、所定未満の場合に有効圧縮比を下るように、前記有効圧縮比変更手段が制御されることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, there is provided an effective compression ratio changing means for changing an effective compression ratio in the cylinder, and when the adhesion amount is a predetermined amount or more with respect to the evaporation amount. The effective compression ratio changing means is controlled so as to increase the effective compression ratio and decrease the effective compression ratio when the effective compression ratio is less than a predetermined value.

請求項記載の発明は、請求項1の発明において、前記ヘッドキャビティの周壁面を加熱するヒーターを備えていることを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, a heater for heating the peripheral wall surface of the head cavity is provided.

請求項記載の発明は、請求項記載の発明において、検出された周壁面温度が所定の目標値よりも低い場合に温度上昇し、高い場合に温度低下するように(例えば、電力消費量を抑えるためにヒーターをオフにするように)、前記ヒーターが制御されることを特徴とする。
According to a sixth aspect of the invention, in the fifth aspect of the invention, the temperature rises when the detected peripheral wall temperature is lower than a predetermined target value, and the temperature drops when the detected peripheral wall temperature is higher (for example, power consumption). The heater is controlled so that the heater is turned off in order to suppress this).

請求項記載の発明は、請求項6記載の発明において、前記ヒーターが、ヘッドキャビティ周壁面の燃料が衝突する部分に対応して、部分的に設けられていることを特徴とする。
According to a seventh aspect of the invention, in the sixth aspect of the invention, the heater is provided partially corresponding to a portion of the head cavity peripheral wall where the fuel collides.

請求項1の発明によれば、例えば、ヘッドキャビティの周壁面温度が低い場合には、燃料の付着量が多くなると考えられるので、噴射段数が多くなるように分割する。これによって各段の噴射量が少なくなるため、ヘッドキャビティ周壁面への燃料付着を低減することができ、その結果、白煙の発生を抑制することができる。更に、ヘッドキャビティ周壁面に対する燃料の付着量や蒸発量を考慮して、より正確で精細な燃料噴射制御を行うことができる。
According to the first aspect of the present invention, for example, when the temperature of the peripheral wall surface of the head cavity is low, it is considered that the amount of fuel attached increases, so that the number of injection stages is increased. As a result, the amount of injection at each stage is reduced, so that the adhesion of fuel to the peripheral wall surface of the head cavity can be reduced, and as a result, the generation of white smoke can be suppressed. Furthermore, more accurate and fine fuel injection control can be performed in consideration of the amount of fuel adhering to the peripheral surface of the head cavity and the amount of evaporation.

請求項の発明によれば、各段の噴射量が適切に設定され、ヘッドキャビティ周壁面に対する燃料付着をより確実に防止することができるとともに、燃料噴射に伴う熱損失を低減して確実に自着火させることができる。
According to the second aspect of the present invention, the injection amount of each stage is appropriately set, and it is possible to more reliably prevent the fuel from adhering to the peripheral wall surface of the head cavity, and to reliably reduce the heat loss caused by the fuel injection. Can be self-ignited.

請求項の発明によれば、1段目の噴射燃料がヘッドキャビティ周壁面に付着したとしても、周囲ガスに晒されて蒸発する時間を十分に確保することができ、1段目の燃料を圧縮行程上死点付近において確実に燃焼させることができる。更に、2段目の噴射燃料を圧縮行程上死点付近で行うことで、確実な昇温と燃焼を実現することができる。したがって、噴射した燃料の略全量を好適に燃焼させることができる。
According to the third aspect of the present invention, even if the first-stage injected fuel adheres to the peripheral wall surface of the head cavity, it is possible to ensure a sufficient time to evaporate by being exposed to the surrounding gas. It is possible to reliably burn near the top dead center of the compression stroke. Furthermore, by performing the second-stage injected fuel near the top dead center of the compression stroke, reliable temperature rise and combustion can be realized. Accordingly, it is possible to suitably burn substantially the entire amount of injected fuel.

請求項の発明によれば、ヘッドキャビティ周壁面に対する燃料の付着量が蒸発量に対して所定以上と予測される場合には、有効圧縮比を上げることによってシリンダ内温度を上昇させ、燃料の蒸発を促進することができる。
According to the fourth aspect of the present invention, when the amount of fuel adhering to the peripheral wall surface of the head cavity is predicted to be greater than or equal to a predetermined amount with respect to the evaporation amount, the cylinder internal temperature is increased by increasing the effective compression ratio. Evaporation can be promoted.

請求項の発明によれば、ヘッドキャビティ周壁面に接触した燃料の蒸発を促進することができ、白煙の発生を抑制することができる。
According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to promote the evaporation of the fuel in contact with the peripheral wall surface of the head cavity and to suppress the generation of white smoke.

請求項の発明によれば、ヘッドキャビティの周壁面温度が、目標値より低い場合には、ヒーターにより温度上昇することで所望の蒸発特性を得ることができ、目標値より高い場合には、ヒーターによる温度上昇を減じてエネルギー消費を少なくすることができる。したがって、ヘッドキャビティ周壁面に接触した燃料を、無駄なエネルギーを用いることなく効率よく蒸発させることができる。
According to the invention of claim 6 , when the peripheral wall surface temperature of the head cavity is lower than the target value, a desired evaporation characteristic can be obtained by raising the temperature by the heater, and when the temperature is higher than the target value, Energy consumption can be reduced by reducing the temperature rise caused by the heater. Therefore, it is possible to efficiently evaporate the fuel in contact with the peripheral wall surface of the head cavity without using wasted energy.

請求項の発明によれば、燃料の存在する空間を集中的に暖めて、効率のよい蒸発特性を得ることができるとともに、エネルギー消費を少なくすることができる。

According to the invention of claim 7 , it is possible to intensively warm the space in which the fuel exists, to obtain efficient evaporation characteristics, and to reduce energy consumption.

図1は、本発明の実施形態にかかる圧縮予混合式内燃機関であるディーゼルエンジンの概略図である。このディーゼルエンジンは、シリンダ10にピストン11が摺動自在に嵌合され、シリンダヘッド12に、吸気孔14、排気孔15、及び燃料噴射ノズル13が設けられている。吸気孔14及び排気孔15には、それぞれ動弁装置70,71によって駆動される吸気弁17A及び排気弁17Bが配置されている。   FIG. 1 is a schematic view of a diesel engine that is a compression premixed internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. In this diesel engine, a piston 11 is slidably fitted to a cylinder 10, and an intake hole 14, an exhaust hole 15, and a fuel injection nozzle 13 are provided in a cylinder head 12. In the intake hole 14 and the exhaust hole 15, an intake valve 17A and an exhaust valve 17B driven by valve gears 70 and 71, respectively, are arranged.

機関周辺機器として、エンジンコントローラ66及び過給機67を備えている。前記吸気孔14は、吸気通路73、過給機67のコンプレッサ部75、吸気管76を介して外気に連通し、排気孔15は、排気通路77、過給機のタービン部78、排気管79を介して外気に連通している。   An engine controller 66 and a supercharger 67 are provided as engine peripheral devices. The intake hole 14 communicates with the outside air through the intake passage 73, the compressor portion 75 of the supercharger 67, and the intake pipe 76, and the exhaust hole 15 communicates with the exhaust passage 77, the turbine portion 78 of the supercharger, and the exhaust pipe 79. It communicates with the outside air through.

エンジンコントローラ66には、演算装置及び各種記憶装置と共に、噴射ノズルECU83と動弁装置ECU84とが含まれている。エンジンコントローラ66の出力部には、燃料噴射ノズル13及び動弁装置70,71が接続されており、燃料噴射ノズル13は噴射ノズルECU83により燃料噴射量及び燃料噴射開始時期等が制御され、動弁装置70,71は、動弁装置ECU84により、弁開閉時期が制御されるようになっている。エンジンコントローラ66の入力部には、冷却水温センサー88、燃焼圧検出センサー89、吸気温度センサー86、壁温検出センサー90が接続されている。   The engine controller 66 includes an injection nozzle ECU 83 and a valve gear ECU 84 as well as an arithmetic unit and various storage devices. The fuel injection nozzle 13 and the valve operating devices 70 and 71 are connected to the output portion of the engine controller 66. The fuel injection nozzle 13 is controlled by the injection nozzle ECU 83 for the fuel injection amount, the fuel injection start timing, and the like. In the devices 70 and 71, the valve opening / closing timing is controlled by the valve operating device ECU84. A cooling water temperature sensor 88, a combustion pressure detection sensor 89, an intake air temperature sensor 86, and a wall temperature detection sensor 90 are connected to the input portion of the engine controller 66.

排気弁15の動弁装置71は、弁閉時期を変更可能で且つ圧縮行程中に排気弁15を一時的に再啓開できる、可変型動弁装置で構成されている。この排気弁用の可変型動弁装置71は、後述するように、燃焼室18の有効圧縮比を変更する有効圧縮比変更手段の一構成要素となっている。   The valve operating device 71 of the exhaust valve 15 is a variable valve operating device that can change the valve closing timing and can temporarily reopen the exhaust valve 15 during the compression stroke. The variable valve operating device 71 for the exhaust valve is a constituent element of an effective compression ratio changing unit that changes the effective compression ratio of the combustion chamber 18 as will be described later.

〔基本構成部品の説明〕
以下、エンジンの基本構成部品であるピストン11、シリンダ10、燃料噴射ノズル13の各構成と、その相互の関係について詳細に説明する。
[Description of basic components]
Hereinafter, each structure of the piston 11, the cylinder 10, and the fuel injection nozzle 13, which are basic components of the engine, and their mutual relationship will be described in detail.

〔ピストン11の構成〕
図2は、本発明を適用したディーゼルエンジンのシリンダ頂部の断面図であり、特に、ピストン11が上死点付近にある状態を示す。ピストン11の頂面には、凹状のピストンキャビティ20が形成されている。ピストンキャビティ20の底部中央には、シリンダヘッド12側に突出する中央突出部21が形成されており、該中央突出部21は、基部(裾野部)の外径が大きく頂部の外径が小さくなるような、山形に形成され、外周面22が反シリンダヘッド12側に向けて拡開状に傾斜する傾斜面となっている。この外周面22の拡開角度にはCを付してある。
[Configuration of Piston 11]
FIG. 2 is a cross-sectional view of a cylinder top portion of a diesel engine to which the present invention is applied, and particularly shows a state where the piston 11 is in the vicinity of the top dead center. A concave piston cavity 20 is formed on the top surface of the piston 11. A central protrusion 21 that protrudes toward the cylinder head 12 is formed at the center of the bottom of the piston cavity 20, and the central protrusion 21 has a large outer diameter at the base (bottom) and a smaller outer diameter at the top. The outer peripheral surface 22 is an inclined surface that is inclined so as to expand toward the anti-cylinder head 12 side. C is attached to the expansion angle of the outer peripheral surface 22.

ピストンキャビティ20の底面24は、中央突出部21の傾斜面22になだらかに連なる円弧面に形成されている。ピストンキャビティ20の外周面25は、底面24から連続する円弧面に形成され、ピストン11の頂面まで延びている。ピストンキャビティ20の開口部26は、外周面25よりもやや径方向内方に入り込んでおり、これによって、径方向内方に突出するリップ部27が形成されている。図2において、ピストンキャビティ20の開口径にはφYを付し、ピストンキャビティ20の外周面25における最大外径にはφZを付してある。   The bottom surface 24 of the piston cavity 20 is formed in an arc surface that is gently connected to the inclined surface 22 of the central projecting portion 21. The outer peripheral surface 25 of the piston cavity 20 is formed as a circular arc surface continuous from the bottom surface 24 and extends to the top surface of the piston 11. The opening 26 of the piston cavity 20 is slightly inward in the radial direction from the outer peripheral surface 25, thereby forming a lip portion 27 that protrudes inward in the radial direction. In FIG. 2, φY is given to the opening diameter of the piston cavity 20, and φZ is given to the maximum outer diameter of the outer peripheral surface 25 of the piston cavity 20.

〔シリンダヘッド12の構成〕
図3は、ヘッドキャビティ及び燃料噴射ノズルを拡大して示す断面図である。図2及び図3に示すように、ピストン11頂面に対向するシリンダヘッド12の爆面28には、凹状のヘッドキャビティ29が設けられており、該ヘッドキャビティ29は、裁頭円錐形に形成されている。すなわち、ヘッドキャビティ29の底面30は、爆面28に略平行な平坦面に形成されており、ヘッドキャビティ29の周壁面31は、ピストン11側(下側)に向けて拡開状に傾斜されている。図2において、ヘッドキャビティ29の開口径にはφXを付し、図3において、周壁面31の拡開角度にはAを付してある。
[Configuration of Cylinder Head 12]
FIG. 3 is an enlarged sectional view showing the head cavity and the fuel injection nozzle. As shown in FIGS. 2 and 3, a concave head cavity 29 is provided on the explosion surface 28 of the cylinder head 12 facing the top surface of the piston 11, and the head cavity 29 is formed in a truncated cone shape. Has been. That is, the bottom surface 30 of the head cavity 29 is formed as a flat surface substantially parallel to the explosion surface 28, and the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 is inclined in an expanding manner toward the piston 11 side (lower side). ing. In FIG. 2, φX is attached to the opening diameter of the head cavity 29, and A is attached to the opening angle of the peripheral wall surface 31 in FIG. 3.

図4は、図2のIV−IV矢視断面図である。シリンダヘッド12には、吸気用、排気用のバルブシート33が各2個ずつ設けられ、各バルブシート33に吸気用、排気用のバルブ17A,17Bが設けられている。ヘッドキャビティ29は、4つのバルブ17A,17Bの間に囲まれ、各バルブシート33に外接する大きさに形成されている。ただし、必ずしも各バルブシート33に外接しなくても、その外接円の範囲内で可及的に大きく形成することができる。   4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG. The cylinder head 12 is provided with two intake and exhaust valve seats 33, and each valve seat 33 is provided with intake and exhaust valves 17A and 17B. The head cavity 29 is surrounded by the four valves 17 </ b> A and 17 </ b> B and is sized to circumscribe each valve seat 33. However, even if it does not necessarily circumscribe each valve seat 33, it can be formed as large as possible within the range of the circumscribed circle.

図3に示すように、本実施形態では、ヘッドキャビティ29の周壁面31に、シリンダヘッド12とは別の素材で形成された燃料衝突部34を設けている。この燃料衝突部34は、ヘッドキャビティ29の深さ全体に渡る幅を有し、当該幅に渡って均等な厚さに形成されている。素材としては、耐熱性及び断熱性を有するものが用いられ、例えば、SUS系の耐熱鋼等が用いられる。ただし、この燃料衝突部34を省略し、シリンダヘッド12そのものの素材で周壁面31を構成してもよい。   As shown in FIG. 3, in this embodiment, a fuel collision portion 34 formed of a material different from the cylinder head 12 is provided on the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29. The fuel collision portion 34 has a width over the entire depth of the head cavity 29 and is formed to have a uniform thickness over the width. As a raw material, what has heat resistance and heat insulation is used, for example, SUS heat-resistant steel etc. are used. However, the fuel collision part 34 may be omitted, and the peripheral wall surface 31 may be made of the material of the cylinder head 12 itself.

〔燃料噴射ノズル13の構成〕
図2に示すように、ヘッドキャビティ29の底面30の中央部には、燃料噴射ノズル13が設けられている。噴射ノズル13は、下部にニードル弁を収容した細径部36、上部に細径部36よりも大径の太径部37を有しており、細径部36と太径部37との間には段部38が形成されている。噴射ノズル13は、シリンダヘッド12に形成された保持孔39にホルダー40を介して装着されている。ホルダー40は、筒形に形成されるとともに、筒内部が、噴射ノズル13の外形に適合した形状に形成されている。ホルダー40の内面と細径部36との間には、両者間の気密を保つ筒形の第1シール材41が介装され、ホルダー40と段部38との間には環状の第2シール材42が介装されている。ホルダー40の先端部は、保持孔39を介してヘッドキャビティ29の底面に露出している。また、ホルダー40の先端部には、径内方向に折曲部43が突設され、折曲部43によって第1シール材41を下側から受けている。
[Configuration of Fuel Injection Nozzle 13]
As shown in FIG. 2, a fuel injection nozzle 13 is provided at the center of the bottom surface 30 of the head cavity 29. The injection nozzle 13 has a small-diameter portion 36 that accommodates a needle valve in the lower portion, and a large-diameter portion 37 that is larger in diameter than the small-diameter portion 36 in the upper portion. A stepped portion 38 is formed in the upper portion. The injection nozzle 13 is attached to a holding hole 39 formed in the cylinder head 12 via a holder 40. The holder 40 is formed in a cylindrical shape, and the inside of the cylinder is formed in a shape that matches the outer shape of the injection nozzle 13. Between the inner surface of the holder 40 and the small-diameter portion 36, a cylindrical first sealing material 41 is provided to keep the airtight therebetween, and an annular second seal is provided between the holder 40 and the step portion 38. A material 42 is interposed. The tip of the holder 40 is exposed on the bottom surface of the head cavity 29 through the holding hole 39. In addition, a bent portion 43 protrudes from the front end portion of the holder 40 in the radially inward direction, and the first seal material 41 is received from the lower side by the bent portion 43.

図3に示すように、噴射ノズル13の先端には、複数の燃料噴射口44が形成されている。燃料噴射口44は、ノズル軸心O1を中心として放射状に、4〜10個形成されている。各噴射口44は、それぞれヘッドキャビティ29の周壁面31(燃料衝突部34)に向けて開口している。   As shown in FIG. 3, a plurality of fuel injection ports 44 are formed at the tip of the injection nozzle 13. Four to ten fuel injection ports 44 are formed radially about the nozzle axis O1. Each injection port 44 opens toward the peripheral wall surface 31 (fuel collision part 34) of the head cavity 29, respectively.

〔ヘッドキャビティ29と燃料噴射ノズル13との関係〕
図2に示すように、噴射ノズル13の燃料噴射口44から噴射された燃料は、全体として円錐状又は水平に放射方向に拡散する。このときの噴霧軸線X1の拡散角度(噴霧角度)をB(図3参照)とすると、120°≦B≦180°に設定されている。このように設定することによって、燃料が直接周壁面31に衝突するようになっている。この衝突によって、燃料は、方向が変えられるとともに、微粒化され、空気との混合がより促進される。
[Relationship Between Head Cavity 29 and Fuel Injection Nozzle 13]
As shown in FIG. 2, the fuel injected from the fuel injection port 44 of the injection nozzle 13 diffuses in a radial direction conically or horizontally as a whole. If the diffusion angle (spray angle) of the spray axis X1 at this time is B (see FIG. 3), 120 ° ≦ B ≦ 180 ° is set. By setting in this way, the fuel directly collides with the peripheral wall surface 31. By this collision, the fuel is changed in direction and atomized, and mixing with air is further promoted.

上記噴霧角度Bを120°以上としたのは、それ以下であると、ヘッドキャビティ29の周壁面31に燃料を衝突させるためにヘッドキャビティ29を深く形成する必要が生じ、シリンダヘッド12の大幅な構造の変更を伴うことになるからである。噴霧角度Bを180°以下としたのは、それ以上であると、噴射ノズル13における流量係数が低下するからである。また、ヘッドキャビティ29内の上部側(底面30側)に多くの燃料が拡散し、該部分の燃料濃度が高くなり、スモーク発生の原因となるからである。   If the spray angle B is set to 120 ° or more, it is necessary to form the head cavity 29 deep in order to cause the fuel to collide with the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29. This is because it involves a change in structure. The reason why the spray angle B is set to 180 ° or less is that if it is more than that, the flow coefficient in the injection nozzle 13 decreases. Further, a large amount of fuel diffuses to the upper side (the bottom surface 30 side) in the head cavity 29, and the fuel concentration in the portion becomes high, which causes the generation of smoke.

一方、ヘッドキャビティ29の周壁面31の拡開角度A(図3参照)は、60°≦A≦120°に設定されている。この拡開角度Aを60°以上としたのは、それ以下であると、周壁面31に衝突した後の燃料と、シリンダ10内の径方向外側に存在する多量の空気との混合を促進することが困難となり、均一な混合気形成の妨げになるからである。また、ヘッドキャビティ29の周壁面31に衝突した燃料がヘッドキャビティ29内の上部側に多く拡散されることになり、ヘッドキャビティ29内の燃料過濃によりスモークを生じ易くなるからである。拡開角度Aを120°以下としたのは、周壁面31に衝突したのちの燃料がピストンキャビティ20に確実に導入されるようにするためである。   On the other hand, the expansion angle A (see FIG. 3) of the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 is set to 60 ° ≦ A ≦ 120 °. When the expansion angle A is set to 60 ° or more, if it is less than that, the mixing of the fuel after colliding with the peripheral wall surface 31 and a large amount of air existing radially outside in the cylinder 10 is promoted. This is because it becomes difficult to prevent formation of a uniform air-fuel mixture. In addition, the fuel that has collided with the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 is diffused to the upper side in the head cavity 29, and smoke is likely to be generated due to excessive fuel concentration in the head cavity 29. The reason why the expansion angle A is set to 120 ° or less is to ensure that the fuel that has collided with the peripheral wall surface 31 is introduced into the piston cavity 20.

ヘッドキャビティ29の周壁面31と燃料の噴霧軸線X1との、ピストン11側の交差角度Dは、120°≦D<180°に設定されている。このDが120°以下であると、ヘッドキャビティ29内の上部側への燃料の拡散が多くなってスモークが発生し易くなり、180°以上であると、実質的に燃料がほとんど周壁面31に衝突しなくなるからである。   The intersection angle D on the piston 11 side between the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 and the fuel spray axis X1 is set to 120 ° ≦ D <180 °. If this D is 120 ° or less, the diffusion of fuel to the upper side in the head cavity 29 increases and smoke is likely to be generated, and if it is 180 ° or more, the fuel substantially reaches the peripheral wall surface 31 substantially. This is because they will not collide.

上記ヘッドキャビティ29は、底面30がシリンダヘッド12の爆面28と略平行な平坦面に形成されており、図3に示すように、底面30と周壁面31との境界に角部47が形成されている。この角部47の存在によって、ヘッドキャビティ29内の上部側には、従来技術(ドーム形乃至円錐形のヘッドキャビティ)よりも広い空間Rが確保されている。そのため、ヘッドキャビティ29の周壁面31に衝突した燃料がヘッドキャビティ29の上部側(底面30側)に拡散したとしても、従来技術に比べて空気との混合が促進されるようになっている。   The head cavity 29 has a bottom surface 30 formed on a flat surface substantially parallel to the explosion surface 28 of the cylinder head 12, and a corner 47 is formed at the boundary between the bottom surface 30 and the peripheral wall surface 31, as shown in FIG. Has been. Due to the presence of the corner portion 47, a space R wider than the conventional technique (dome-shaped or conical head cavity) is secured on the upper side in the head cavity 29. Therefore, even if the fuel that collided with the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 diffuses to the upper side (the bottom surface 30 side) of the head cavity 29, mixing with air is promoted as compared with the prior art.

燃料は、燃料噴射口44から出た直後は液柱状であり、その後霧状に拡散しつつ周壁面31に到るようになっている。本実施形態では、燃料噴射口44から周壁面31までの噴霧軸線X1の距離(長さ)Lと、燃料噴射口44の口径φdとが、L/φd≧50の関係に設定されている。このように設定することで、燃料Sの液柱部分S1(長さをL1で示す)が直接周壁面31に衝突し付着することはほとんどない。   The fuel is in the form of a liquid column immediately after exiting from the fuel injection port 44 and then reaches the peripheral wall surface 31 while diffusing in a mist form. In the present embodiment, the distance (length) L of the spray axis X1 from the fuel injection port 44 to the peripheral wall surface 31 and the diameter φd of the fuel injection port 44 are set in a relationship of L / φd ≧ 50. By setting in this way, the liquid column portion S1 (the length is indicated by L1) of the fuel S hardly collides and adheres directly to the peripheral wall surface 31.

機関始動時等の低負荷運転時に、液柱状の燃料がヘッドキャビティ29の周壁面31に付着すると、燃焼に関与することなく白煙となって排出されてしまうが、上記の如く、距離Lと口径φdとを設定することで、このような問題を解決することができる。なお、距離Lと口径φdとの上記関係は、燃料噴射圧を約50MPa以上とした場合に特に有効である。   If the liquid columnar fuel adheres to the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 during low load operation such as when starting the engine, white smoke is discharged without being involved in combustion. Such a problem can be solved by setting the diameter φd. The above relationship between the distance L and the diameter φd is particularly effective when the fuel injection pressure is about 50 MPa or more.

前述したように、ヘッドキャビティ29の周壁面31には、断熱性及び耐熱性を有する燃料衝突部34が設けられている。シリンダヘッド12は冷却水によって冷却されるが、エンジン暖態時において、この燃料衝突部34は、その断熱性によって温度が低下し難くなっている。したがって、燃料衝突部34に衝突した燃料は、燃料衝突部34の熱によって蒸発しやすくなり、付着した燃料が白煙となって排出されることが防止されている。   As described above, the fuel collision portion 34 having heat insulation and heat resistance is provided on the peripheral wall 31 of the head cavity 29. Although the cylinder head 12 is cooled by the cooling water, the temperature of the fuel collision part 34 is difficult to be lowered due to the heat insulating property when the engine is warm. Therefore, the fuel that has collided with the fuel collision part 34 is easily evaporated by the heat of the fuel collision part 34, and the attached fuel is prevented from being discharged as white smoke.

ヘッドキャビティは、図4に示したように、吸気用及び排気用の4つのバルブシート33に外接するように設けられている。すなわち、バルブシート33を侵食しない範囲で最大限に形成されている。これにより、燃料噴射ノズル13からヘッドキャビティ29の周壁面31までの距離を可及的に遠くすることができ、燃料の液柱部分S1が周壁面31に付着することを防止している。   As shown in FIG. 4, the head cavity is provided so as to circumscribe the four valve seats 33 for intake and exhaust. That is, the valve seat 33 is formed to the maximum extent that does not erode. As a result, the distance from the fuel injection nozzle 13 to the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 can be made as long as possible, and the liquid column portion S1 of the fuel is prevented from adhering to the peripheral wall surface 31.

〔ヘッドキャビティとピストンキャビティとの関係〕
図2に示すように、上記ヘッドキャビティ29の開口径φXは、ピストンキャビティ20の開口部26の径φYよりも、小さく形成されている。具体的には、φY≧1.2×φXの関係にある。したがって、噴射ノズル13から噴射されヘッドキャビティ29の周壁面31に衝突した燃料は、そのほとんどがピストンキャビティ20内に導入される。そして、圧縮行程におけるピストンキャビティ20内へのスキッシュ流と、膨張行程におけるピストンキャビティ20外への逆スキッシュ流によって、燃料の流動に強い乱れが生じるとともに、ピストン11内の径方向外側において空気との混合がより促進されるようになっている。
[Relationship between head cavity and piston cavity]
As shown in FIG. 2, the opening diameter φX of the head cavity 29 is formed smaller than the diameter φY of the opening 26 of the piston cavity 20. Specifically, there is a relationship of φY ≧ 1.2 × φX. Therefore, most of the fuel injected from the injection nozzle 13 and colliding with the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 is introduced into the piston cavity 20. The squish flow into the piston cavity 20 during the compression stroke and the reverse squish flow outside the piston cavity 20 during the expansion stroke cause a strong turbulence in the flow of the fuel, and the air flows outside the piston 11 in the radial direction. Mixing is promoted more.

なお、ピストンキャビティ20の開口部26の径φYは、ピストンキャビティ20の外周面25の外径(最大外形)φZよりも小さく形成され、開口部26には、径方向内方に突出するリップ部27が形成されているため、より強いスキッシュ流及び逆スキッシュ流を得ることができる。   The diameter φY of the opening 26 of the piston cavity 20 is formed smaller than the outer diameter (maximum outer shape) φZ of the outer peripheral surface 25 of the piston cavity 20, and the opening 26 has a lip portion protruding radially inward. Since 27 is formed, a stronger squish flow and a reverse squish flow can be obtained.

〔噴射燃料とピストンキャビティ20との関係〕
図2に示すように、ピストンキャビティ20に形成された突出部21は、既に説明したように山形に形成されており、その外周面22の拡開角度Cは、C≦140°に設定されている。噴射ノズル13から噴射されヘッドキャビティ29に衝突した燃料は、さらに円錐状に広がりながらピストンキャビティ20内の突出部21の外周面22の傾斜に衝突する。したがって、突出部斜面22に衝突したのちも、燃料はさらに径方向外側に導かれ、空気との混合が促進されるようになっている。
[Relationship between injected fuel and piston cavity 20]
As shown in FIG. 2, the protrusion 21 formed in the piston cavity 20 is formed in a mountain shape as described above, and the expansion angle C of the outer peripheral surface 22 is set to C ≦ 140 °. Yes. The fuel injected from the injection nozzle 13 and colliding with the head cavity 29 collides with the inclination of the outer peripheral surface 22 of the projecting portion 21 in the piston cavity 20 while spreading further in a conical shape. Therefore, even after colliding with the projecting portion slope 22, the fuel is further guided radially outward to promote mixing with air.

ピストンキャビティ20に対して燃料が衝突した部分の径φVと、ピストンキャビティ20の最大外径φZとは、φV≧0.5×φZの関係にある。したがって、燃料は、ピストンキャビティ内の径方向外方に広がり、空気との混合が促進される。これにより、ピストンキャビティ20の中央付近に燃料が噴射されて、径方向外方の空気を使わずに火炎が収縮する”熱ピンチ”の発生が防止されるようになっている。   The diameter φV of the portion where the fuel collides with the piston cavity 20 and the maximum outer diameter φZ of the piston cavity 20 have a relationship of φV ≧ 0.5 × φZ. Therefore, the fuel spreads radially outward in the piston cavity and promotes mixing with air. As a result, the fuel is injected near the center of the piston cavity 20 to prevent the occurrence of “thermal pinch” in which the flame contracts without using air radially outward.

燃料噴射は、ピストン11がほぼ上死点にあるときだけでなく、後述するように上死点前40°〜0°の範囲で行われる場合がある。また、主としてNOx低減のために、上死点を過ぎた後0°〜40°の範囲で遅延してなされる場合がある。このような場合に、噴射された燃料がピストンキャビティ20から外れて噴射されると、均一な混合気の生成が阻害され、スモークが増加する。したがって、本実施形態では、ピストン11が上死点からクランク角±40°の範囲内にあるときに、噴射された燃料が確実にピストンキャビティ20内に入るように、燃料噴射角B、周壁面31の拡開角度A、ピストンキャビティ20の開口径φY等が設定されている。   The fuel injection may be performed not only when the piston 11 is substantially at the top dead center, but also in the range of 40 ° to 0 ° before the top dead center as will be described later. Further, there is a case where the delay is made in the range of 0 ° to 40 ° after the top dead center is passed mainly for NOx reduction. In such a case, if the injected fuel is injected out of the piston cavity 20, the generation of a uniform air-fuel mixture is hindered and smoke is increased. Therefore, in the present embodiment, when the piston 11 is within the range of the crank angle ± 40 ° from the top dead center, the fuel injection angle B and the peripheral wall surface are ensured so that the injected fuel surely enters the piston cavity 20. An expansion angle A of 31, an opening diameter φY of the piston cavity 20 and the like are set.

なお、本実施形態では、周壁面31に衝突した燃料の噴霧軸線X1が、径方向外方へ最大に広がった場合、すなわち、燃料の噴霧軸線X1が、周壁面31に衝突したあと、そのまま周壁面31の傾斜に沿って拡散した場合を想定して、該噴霧軸線X1が、上死点±40°の範囲でピストンキャビティ20内に入るように設定している。   In the present embodiment, when the fuel spray axis X1 that collides with the peripheral wall surface 31 spreads out to the maximum in the radial direction, that is, after the fuel spray axis X1 collides with the peripheral wall surface 31, The spray axis X1 is set so as to enter the piston cavity 20 in the range of top dead center ± 40 °, assuming a case where diffusion occurs along the inclination of the wall surface 31.

〔エンジンコントローラによる燃料噴射ノズルの制御〕
次に、エンジンコントローラ66による燃料噴射ノズル13の制御について説明する。
図5は、燃料噴射ノズル13による燃料の噴射パターンを示すタイムチャートである。本実施形態の燃料噴射ノズル13は、エンジンコントローラ66(図1)の噴射ノズルECU83によって、2種の燃料噴射モードで作動するように制御されている。一方は、図5(A)に示す如く、圧縮行程のほぼ上死点(上死点前約10°以降)で燃料噴射を開始する通常モードであり、他方は、図5(B)(C)のように、燃料の全噴射量のうち一部を、圧縮行程上死点よりも前(上死点前40°〜0°)に噴射する活性モードである。
[Control of fuel injection nozzle by engine controller]
Next, control of the fuel injection nozzle 13 by the engine controller 66 will be described.
FIG. 5 is a time chart showing a fuel injection pattern by the fuel injection nozzle 13. The fuel injection nozzle 13 of this embodiment is controlled to operate in two fuel injection modes by the injection nozzle ECU 83 of the engine controller 66 (FIG. 1). One is a normal mode in which fuel injection is started almost at the top dead center (after about 10 ° before the top dead center) in the compression stroke, as shown in FIG. 5 (A), and the other is FIG. ) Is an active mode in which a part of the total fuel injection amount is injected before the compression stroke top dead center (40 ° to 0 ° before top dead center).

エンジンの始動時や低負荷運転時等、シリンダ内温度が低い場合に、通常モードで燃料を噴射すると、ヘッドキャビティ29の周壁面31に対する燃料の付着が多くなり、白煙発生の原因になる。したがって、このような場合には、活性モードに切り換えることによって、各段の噴射量を少なくし、周壁面31への燃料付着を低減して、噴射した燃料の略全量を燃焼できるようにしている。   When fuel is injected in the normal mode when the temperature in the cylinder is low, such as when the engine is started or during low load operation, fuel adheres to the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29, causing white smoke. Therefore, in such a case, by switching to the active mode, the injection amount of each stage is reduced, the fuel adhesion to the peripheral wall surface 31 is reduced, and almost all of the injected fuel can be burned. .

〔制御方法1〕
通常モードと活性モードとの切替の方法として、本実施形態では、噴射された燃料のヘッドキャビティ周壁面31への付着量と、周壁面31に接触して蒸発する蒸発量とを予測し、この付着量と蒸発量との比較に基づいた制御を行っている。
[Control method 1]
As a method for switching between the normal mode and the active mode, in the present embodiment, the amount of injected fuel adhering to the peripheral surface 31 of the head cavity and the amount of evaporation that evaporates in contact with the peripheral wall 31 are predicted. Control based on a comparison between the amount of adhesion and the amount of evaporation is performed.

図6は、燃料噴射開始時期と、燃料噴射段数を決定するためのフローチャートである。このフローチャートによれば、ステップS1において、センサー等によって検出された機関回転数と負荷から、実際のアクセル開度を加味して、基本噴射量Qを算出する。次に、ステップS2において、ヘッドキャビティ周壁面31への燃料付着量Gdを算出する。このGdは、次式で算出することができる。
Gd=γ・X・Q
FIG. 6 is a flowchart for determining the fuel injection start timing and the number of fuel injection stages. According to this flowchart, in step S1, the basic injection amount Q is calculated from the engine speed and load detected by a sensor or the like, taking into account the actual accelerator opening. Next, in step S2, a fuel adhesion amount Gd to the head cavity peripheral wall surface 31 is calculated. This Gd can be calculated by the following equation.
Gd = γ · X · Q

γは、総噴射量の中でどれぐらいの燃料が周壁面と接触するかを推定する係数であり、γ=(噴霧先端が周壁面に接触してから噴霧終了までの期間)/(全噴射期間)で求められる。Xは、噴射圧、周壁面31の温度Twall、L/φd(図3参照)から求められる係数であり、周壁面31に接触した燃料のうち、液膜となって付着するものの割合を推定するものである。   γ is a coefficient for estimating how much fuel is in contact with the peripheral wall surface in the total injection amount, and γ = (period from when the spray tip contacts the peripheral wall surface until the end of spraying) / (total injection Period). X is a coefficient obtained from the injection pressure, the temperature Twall of the peripheral wall surface 31 and L / φd (see FIG. 3), and estimates the ratio of fuel adhering to the peripheral wall surface 31 as a liquid film. Is.

次に、ステップS3において、ヘッドキャビティ周壁面31に接触した燃料の蒸発量Gvを算出する。このGvは、周壁面31の温度Twallと、燃焼室18内の雰囲気温度Tambと、燃料付着から上死点までの時間τ等と、を変数とする関数である。すなわち、
Gv=f(Gd,Twall,Tamb,τ)
Next, in step S3, the evaporation amount Gv of the fuel in contact with the head cavity peripheral wall surface 31 is calculated. This Gv is a function having variables such as the temperature Twall of the peripheral wall 31, the ambient temperature Tamb in the combustion chamber 18, and the time τ from fuel attachment to top dead center. That is,
Gv = f (Gd, Twall, Tamb, τ)

周壁面31の温度Twallは、壁温検出センサー(温度検出手段)90によって検出される。この壁温検出センサー90としては、熱電対を利用した熱電温度計等を用いることができる。また、温度検出手段90は、周壁面31の温度を直接的に計測するに限らず、例えば、シリンダ又はシリンダヘッドにおける冷却水温度を計測し、該冷却水温度から間接的に周壁面31の温度を推定するものであってもよい。   The temperature Twall of the peripheral wall surface 31 is detected by a wall temperature detection sensor (temperature detection means) 90. As the wall temperature detection sensor 90, a thermoelectric thermometer using a thermocouple or the like can be used. Further, the temperature detection means 90 is not limited to directly measuring the temperature of the peripheral wall surface 31, but, for example, measures the cooling water temperature in the cylinder or the cylinder head, and indirectly detects the temperature of the peripheral wall surface 31 from the cooling water temperature. May be estimated.

ステップS4において、付着量Gdと蒸発量Gvとが比較され、その差ΔG(=Gd−Gv)が算出される。そして、ステップS5において、ΔGが所定のしきい値Glimitに満たない場合、周壁面31への付着が少ないと判断され、ステップS6において、通常モードによる燃料噴射を行うように噴射条件が確定される。   In step S4, the adhesion amount Gd and the evaporation amount Gv are compared, and a difference ΔG (= Gd−Gv) is calculated. If ΔG is less than the predetermined threshold value Glimit in step S5, it is determined that there is little adhesion to the peripheral wall surface 31, and in step S6, the injection conditions are determined so as to perform fuel injection in the normal mode. .

ステップS5において、ΔGがしきい値Glimit以上の場合、周壁面31への付着が多いと判断され、ステップS7において、噴射段数を2分割する計算を行うとともに、噴射量割合を決定する。ステップS8において、前段噴射(1段目の噴射)の噴射時期を算出し、この噴射について、上記ステップS2〜S5を再度行う。ステップS5において、更に分割が必要な場合には、ステップS7,S8〜を繰り返す。これらのステップを経て、活性モードの噴射条件が確定する。   In step S5, when ΔG is equal to or greater than the threshold value Glimit, it is determined that there is much adhesion to the peripheral wall surface 31, and in step S7, the number of injection stages is divided into two and the injection amount ratio is determined. In step S8, the injection timing of the pre-stage injection (first stage injection) is calculated, and the above steps S2 to S5 are performed again for this injection. If further division is required in step S5, steps S7 and S8 are repeated. Through these steps, the injection conditions for the active mode are determined.

噴射段数を1段又は2段の切替のみとする場合(噴射段数を3段以上にしない場合)は、ステップS5において、ΔGがしきい値Glimit以上のときにステップS7’に進み、噴射分割計算及び噴射量割合の決定を行うと共に、ステップS8’において、前段噴射時期を算出して、ステップS6で噴射条件を確定する。   When the number of injection stages is only switched to one or two stages (when the number of injection stages is not three or more), the process proceeds to step S7 ′ when ΔG is greater than or equal to the threshold value Glimit in step S5, and injection division calculation is performed. In step S8 ′, the pre-injection timing is calculated, and the injection condition is determined in step S6.

図7は、クランク経過角度θとシリンダ内圧力Pの変化を、燃料噴射時期と対応させて示すグラフである。図7(A)は、圧縮行程上死点付近で1回だけ噴射を行う通常モードの場合を示している。この場合、ほぼ全噴射量の燃料が、シリンダ10内の熱によって一度で蒸発されるため、多大な熱が奪われ、着火前にシリンダ10内の圧力がΔpだけ急激に下がっている。このため、熱損失が大となり、条件によっては失火することがある。   FIG. 7 is a graph showing changes in the crank elapsed angle θ and the cylinder pressure P in correspondence with the fuel injection timing. FIG. 7A shows the case of the normal mode in which injection is performed only once near the top dead center of the compression stroke. In this case, since almost the entire injection amount of fuel is evaporated at once by the heat in the cylinder 10, a great amount of heat is taken away, and the pressure in the cylinder 10 is rapidly decreased by Δp before ignition. For this reason, a heat loss becomes large and it may misfire depending on conditions.

これに対して、図7(B)は、圧縮行程上死点前の噴射と上死点付近の噴射との2段階の噴射を行う活性モードの場合を示している。この場合、各段の噴射量が少なくなるため、燃料の蒸発のために奪われる熱が少なくなり、シリンダ10内の圧力低下(Δp’)も抑制される。そして、1段目の燃料が自着火する頃に2段目の燃料を噴射することで、全量の燃料が自着火し、白煙の発生が防止されるようになっている。   On the other hand, FIG. 7B shows the case of the active mode in which two-stage injection is performed, that is, the injection before the top dead center of the compression stroke and the injection near the top dead center. In this case, since the amount of injection at each stage is reduced, the heat lost for the evaporation of the fuel is reduced, and the pressure drop (Δp ′) in the cylinder 10 is also suppressed. By injecting the second-stage fuel when the first-stage fuel self-ignites, the entire amount of fuel is self-ignited and the generation of white smoke is prevented.

したがって、前述したように、ヘッドキャビティ29の周壁面31に対する燃料の付着が多くなると予測される場合に、複数段の噴射を行うと、図7(A)で見られるような熱損失を低減し、失火を防止することも可能となっている。   Therefore, as described above, when it is predicted that the amount of fuel adhering to the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29 will increase, performing multiple stages of injection reduces the heat loss as seen in FIG. It is also possible to prevent misfire.

〔制御方法2〕
燃料噴射モードの選択は、次のように行うこともできる。図8は、燃料噴射段数と燃料噴射開始時期とを決定するためのフローチャートである。このフローチャートによれば、ステップS1において、検出された機関回転数及び負荷から、基本噴射量Qを算出し、ステップ2において、基本噴射量Qが、所定の値以上かどうかを判別する。その結果、基本噴射量Qが所定値以下の場合は、ヘッドキャビティ29の周壁面31に対する付着量もそれほど多くならないと予測できるので、ステップS6において、噴射段数を1段とする通常モードの条件を確定する。
[Control method 2]
The fuel injection mode can also be selected as follows. FIG. 8 is a flowchart for determining the number of fuel injection stages and the fuel injection start timing. According to this flowchart, in step S1, the basic injection amount Q is calculated from the detected engine speed and load, and in step 2, it is determined whether or not the basic injection amount Q is equal to or greater than a predetermined value. As a result, when the basic injection amount Q is less than or equal to a predetermined value, it can be predicted that the amount of adhesion of the head cavity 29 to the peripheral wall surface 31 will not increase so much, so in step S6, the normal mode condition with one injection step is set. Determine.

基本噴射量Qが所定値以上の場合は、ステップS3に進み、周壁面31の温度Twallが、所定値、例えば、燃料の蒸発温度以下かどうかを判別する。所定値以上の場合は、周壁面31に接触した燃料は蒸発すると予測できるので、ステップS6において、噴射段数を1段とする通常モードの条件を確定する。   If the basic injection amount Q is equal to or greater than the predetermined value, the process proceeds to step S3, and it is determined whether or not the temperature Twall of the peripheral wall surface 31 is equal to or lower than a predetermined value, for example, the fuel evaporation temperature. If it is equal to or greater than the predetermined value, it can be predicted that the fuel that has contacted the peripheral wall surface 31 will evaporate. Therefore, in step S6, the condition for the normal mode in which the number of injection stages is one is determined.

温度Twallが所定値以下の場合は、ステップS4に進み、燃料の噴射段数を計算するとともに、噴射量の割合を決定し、ステップS5において、前段噴射時期を算出し、ステップS6において、噴射段数を複数段とする活性モードの条件を確定する。   When the temperature Twall is equal to or lower than the predetermined value, the process proceeds to step S4, the number of fuel injection stages is calculated, the ratio of the injection amount is determined, the preceding injection timing is calculated in step S5, and the injection stage number is calculated in step S6. Determine the conditions of the active mode for multiple stages.

この制御方法2によれば、制御方法1に比べて簡単な制御で周壁面31に対する燃料の付着を防止することができる。   According to this control method 2, it is possible to prevent the fuel from adhering to the peripheral wall surface 31 with simpler control than the control method 1.

〔ヘッドキャビティへの燃料付着を防止する他の手段〕
本実施形態では、ヘッドキャビティ29の周壁面31に対する燃料付着防止を図るため、さらに次の2つの構成を備えている。
(1)その1つは、周壁面31への燃料の(予測)付着量に応じて、燃焼室の有効圧縮比を変更する有効圧縮比変更手段である。この有効圧縮比変更手段として、本実施形態では、排気弁17Bの再啓開を採用しており、排気弁17Bを開閉する動弁装置71として可変型動弁装置を用い、この可変型動弁装置71による排気弁17Bの弁閉時期を、動弁装置ECU84によって制御している。
[Other means for preventing fuel from adhering to the head cavity]
In the present embodiment, in order to prevent fuel adhesion to the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29, the following two configurations are further provided.
(1) One of them is effective compression ratio changing means for changing the effective compression ratio of the combustion chamber in accordance with the (predicted) adhesion amount of fuel to the peripheral wall surface 31. As this effective compression ratio changing means, in this embodiment, re-opening of the exhaust valve 17B is adopted, and a variable valve operating device is used as the valve operating device 71 for opening and closing the exhaust valve 17B. The valve closing timing of the exhaust valve 17B by the device 71 is controlled by the valve gear ECU 84.

排気弁17Bの再啓開は、圧縮行程の初期に、排気弁17Bを一時的に開くことによって、見かけの圧縮比に比べて低い有効圧縮比を得るものであり、さらに、再啓開の弁閉時期を変えることによって、有効圧縮比を自在に変更するものである。   In the re-opening of the exhaust valve 17B, the exhaust valve 17B is temporarily opened in the initial stage of the compression stroke to obtain an effective compression ratio lower than the apparent compression ratio. The effective compression ratio is freely changed by changing the closing time.

排気用可変型動弁装置71は、動弁カムの形状により弁閉時期を可変にする構成や、電気的なアクチュエータを用いて弁を開閉するとともに弁閉時期を可変にする構成など、従来公知のあらゆる構成を採用することができる。   The exhaust variable valve operating device 71 is conventionally known, such as a configuration in which the valve closing timing is variable depending on the shape of the valve operating cam, a configuration in which the valve is opened and closed using an electric actuator, and the valve closing timing is variable. Any configuration of can be adopted.

排気用可変動弁装置71は、次のように制御される。すなわち、図6のフローチャートのステップS4で算出したΔGが所定以上である場合(付着量Gdが多い場合)には、再啓開の弁閉時期を早くし、有効圧縮比を高くする。これにより、シリンダ10内の温度が早期に高温まで上昇されるので、燃料の蒸発が促進され、周壁面31への燃料の付着が抑制される。   The exhaust variable valve device 71 is controlled as follows. That is, when ΔG calculated in step S4 in the flowchart of FIG. 6 is equal to or greater than a predetermined value (when the adhesion amount Gd is large), the valve closing timing for reopening is advanced and the effective compression ratio is increased. Thereby, since the temperature in the cylinder 10 is raised to a high temperature at an early stage, the evaporation of the fuel is promoted and the adhesion of the fuel to the peripheral wall surface 31 is suppressed.

逆に、ΔGが所定未満の場合(付着量Gdが少ない場合)には、再啓開の弁閉時期を遅くして有効圧縮比を低くするようになっている。   On the other hand, when ΔG is less than a predetermined value (when the adhesion amount Gd is small), the valve closing timing for re-opening is delayed to lower the effective compression ratio.

なお、適切な有効圧縮比を得るため、上記では、排気弁17Bの再啓開を行っているが、その他の手段を用いてもよい。例えば、吸気用動弁装置70を可変型に構成し、吸気行程終期における吸気弁17Aの早閉じ又は遅閉じによって、最適な有効圧縮比を取得するようにしてもよい。   In addition, in order to obtain an appropriate effective compression ratio, the exhaust valve 17B is reopened in the above, but other means may be used. For example, the intake valve operating device 70 may be configured to be variable, and the optimum effective compression ratio may be acquired by early closing or late closing of the intake valve 17A at the end of the intake stroke.

(2)2つ目は、ヘッドキャビティ29の周壁面31の温度を制御するヒーター(加熱装置)である。図3に示すように、ヘッドキャビティ29には、周壁面31を加熱するヒーター(加熱装置)93が設けられている。具体的には、燃料衝突部34の裏面側に接触するようにグローヒーター等のヒーター93を設け、このヒーター93とシリンダヘッド12との間に空間による断熱層94を形成している。   (2) The second is a heater (heating device) that controls the temperature of the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29. As shown in FIG. 3, the head cavity 29 is provided with a heater (heating device) 93 that heats the peripheral wall surface 31. Specifically, a heater 93 such as a glow heater is provided so as to be in contact with the back side of the fuel collision portion 34, and a heat insulating layer 94 is formed between the heater 93 and the cylinder head 12.

このようなヒーター93を設けることによって、ヘッドキャビティ29の周壁面31に接触した燃料の蒸発を助けることができ、燃料の付着に伴う白煙の発生をより確実に防止することができる。   By providing such a heater 93, it is possible to help evaporate the fuel in contact with the peripheral wall surface 31 of the head cavity 29, and it is possible to more reliably prevent the generation of white smoke accompanying the adhesion of fuel.

上記ヒーター93は、エンジンコントローラ66の出力部に接続され、壁温検出センサー90により検出された周壁面31の温度に基づいて制御されるようになっている。すなわち、周壁面31(衝突部34)の温度が所定の目標値よりも低い場合に、ヒーター温度を上昇するように制御される。したがって、エンジンの始動時等の周壁面31の温度が低い場合には、ヒーター温度を上げて蒸発を促進し、エンジンが暖まってきた場合には、ヒーター温度を下げてエネルギー消費を抑制することができる。   The heater 93 is connected to the output portion of the engine controller 66 and is controlled based on the temperature of the peripheral wall surface 31 detected by the wall temperature detection sensor 90. That is, when the temperature of the peripheral wall surface 31 (collision part 34) is lower than a predetermined target value, the heater temperature is controlled to increase. Therefore, when the temperature of the peripheral wall surface 31 is low, such as when the engine is started, the heater temperature is raised to promote evaporation, and when the engine is warmed, the heater temperature is lowered to suppress energy consumption. it can.

ヒーター93は、ヘッドキャビティ周壁面31の全周に設けることもできるが、燃料が衝突する部分のみに、部分的に設けることができる。例えば、図9に示すように、燃料噴射ノズルが、8個の燃料噴射口44を放射状に有している場合、各燃料噴射口44に対応させて、周壁面31に8個のヒーターを設けることができる。   Although the heater 93 can be provided on the entire circumference of the head cavity peripheral wall surface 31, it can be partially provided only on the portion where the fuel collides. For example, as shown in FIG. 9, when the fuel injection nozzle has eight fuel injection ports 44 radially, eight heaters are provided on the peripheral wall surface 31 corresponding to each fuel injection port 44. be able to.

これによって、燃料が存在する空間を集中的に暖めることができ、効率のよい蒸発特性を得ることができる。また、エネルギー消費を少なくすることができる。   As a result, the space in which the fuel is present can be intensively heated, and efficient evaporation characteristics can be obtained. Moreover, energy consumption can be reduced.

本発明は、上記実施形態に限定されることなく適宜設計変更可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the design can be changed as appropriate.

本発明は、ディーゼルエンジン等の圧縮自着火式内燃機関に適用することができ、主として圧縮行程上死点付近(上死点±40°の範囲)のみに燃料噴射を行う内燃機関に適する。   The present invention can be applied to a compression self-ignition internal combustion engine such as a diesel engine, and is suitable for an internal combustion engine that performs fuel injection mainly near the top dead center of the compression stroke (range of top dead center ± 40 °).

本発明の実施形態にかかる圧縮予混合式内燃機関であるディーゼルエンジンの概略図である。1 is a schematic view of a diesel engine that is a compression premixed internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. 本発明を適用したディーゼルエンジンのシリンダ頂部の断面図である。It is sectional drawing of the cylinder top part of the diesel engine to which this invention is applied. ヘッドキャビティ及び燃料噴射ノズルを拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a head cavity and a fuel injection nozzle. 図2のIV−IV矢視断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along arrow IV-IV in FIG. 2. 燃料噴射ノズルによる燃料の噴射パターンを示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the injection pattern of the fuel by a fuel injection nozzle. 燃料噴射段数と燃料噴射開始時期を決定するためのフローチャートである。4 is a flowchart for determining the number of fuel injection stages and the fuel injection start timing. クランク経過角度とシリンダ内圧力の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of crank passage angle and cylinder pressure. 燃料噴射段数と燃料噴射開始時期を決定するためのフローチャートである。4 is a flowchart for determining the number of fuel injection stages and the fuel injection start timing. ピストン側からみたヘッドキャビティの平面図である。It is a top view of the head cavity seen from the piston side.

符号の説明Explanation of symbols

10 ピストン
12 シリンダヘッド
13 燃料噴射ノズル
28 爆面
29 ヘッドキャビティ
31 周壁面
66 エンジンコントローラ
71 排気用可変型動弁装置
90 温度検出手段
93 ヒーター

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piston 12 Cylinder head 13 Fuel injection nozzle 28 Explosion surface 29 Head cavity 31 Perimeter wall surface 66 Engine controller 71 Exhaust variable valve gear 90 Temperature detection means 93 Heater

Claims (7)

ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のヘッドキャビティが設けられ、該ヘッドキャビティに、該ヘッドキャビティの周壁面に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルが設けられている圧縮自着火式内燃機関において、
前記ヘッドキャビティの周壁面温度を検出する温度検出手段と、
検出された周壁面温度に基づいて、燃料の噴射時期と噴射段数とを設定するコントローラと、を備えており、
前記コントローラが、温度検出手段により検出された周壁面温度に基づいてヘッドキャビティの周壁面に対する燃料の付着量と該周壁面に接触した燃料の蒸発量とを予測するとともに、予測した付着量と蒸発量との比較に基づいて燃料の噴射時期と噴射段数とを設定する機能を有していることを特徴とする、圧縮自着火式内燃機関。
Compression self-ignition in which a concave head cavity is provided on the explosion surface of the cylinder head facing the top surface of the piston, and a fuel injection nozzle for injecting fuel toward the peripheral wall surface of the head cavity is provided in the head cavity In the internal combustion engine,
Temperature detecting means for detecting the temperature of the peripheral wall surface of the head cavity;
A controller for setting the fuel injection timing and the number of injection stages based on the detected peripheral wall temperature ,
The controller predicts the amount of fuel adhering to the peripheral wall surface of the head cavity and the amount of fuel evaporated in contact with the peripheral wall surface based on the temperature of the peripheral wall surface detected by the temperature detecting means. A compression ignition type internal combustion engine having a function of setting the fuel injection timing and the number of injection stages based on a comparison with the quantity .
前記コントローラが、噴射段数を2段に分割した場合に1段目の噴射量を全噴射量の30%〜50%の範囲に設定する機能を有していることを特徴とする、請求項1に記載の圧縮自着火式内燃機関。   The controller has a function of setting the first stage injection amount in a range of 30% to 50% of the total injection amount when the number of injection stages is divided into two stages. A compression self-ignition internal combustion engine as described in 1. 前記コントローラが、噴射段数を2段に分割した場合に1段目の噴射に伴う自着火が圧縮行程上死点付近で行われるように、1段目の噴射開始時期を圧縮行程上死点前40°〜0°の範囲内に設定する機能を有していることを特徴とする、請求項1に記載の圧縮自着火式内燃機関。   When the controller divides the number of injection stages into two stages, the first stage injection start timing is set before the compression stroke top dead center so that the self-ignition accompanying the first stage injection is performed near the compression stroke top dead center. 2. The compression ignition type internal combustion engine according to claim 1, wherein the internal combustion engine has a function of setting within a range of 40 [deg.] To 0 [deg.]. シリンダ内の有効圧縮比を変更する有効圧縮比変更手段を備えており、前記付着量が前記蒸発量に対して所定以上の場合に有効圧縮比を上げ、所定未満の場合に有効圧縮比を下るように、前記有効圧縮比変更手段が制御されることを特徴とする、請求項に記載の圧縮自着火式内燃機関。 An effective compression ratio changing means for changing the effective compression ratio in the cylinder is provided, and the effective compression ratio is increased when the adhesion amount is equal to or greater than the evaporation amount, and the effective compression ratio is decreased when the adhesion amount is less than the predetermined value. as such, the effective compression ratio changing means, characterized in that is controlled compression ignition type internal combustion engine according to claim 1. 前記ヘッドキャビティの周壁面を加熱するヒーターを備えていることを特徴とする、請求項1に記載の圧縮自着火式内燃機関。   The compression self-ignition internal combustion engine according to claim 1, further comprising a heater for heating a peripheral wall surface of the head cavity. 検出された周壁面温度が所定の目標値よりも低い場合に温度上昇し、高い場合に温度低下するように、前記ヒーターが制御されることを特徴とする、請求項に記載の圧縮自着火式内燃機関。 6. The compression autoignition according to claim 5 , wherein the heater is controlled so that the temperature rises when the detected peripheral wall surface temperature is lower than a predetermined target value and decreases when the detected temperature is higher. Internal combustion engine. 前記ヒーターが、ヘッドキャビティ周壁面の燃料が衝突する部分に対応して、部分的に設けられていることを特徴とする、請求項記載の圧縮自着火式内燃機関。 6. The compression self-ignition internal combustion engine according to claim 5 , wherein the heater is provided partially corresponding to a portion where fuel on the peripheral wall surface of the head cavity collides.
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